Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние и пути развития электрогидравлических рулевых приводов маневренных самолётов 17
Выводы по главе 1 28
Глава 2. Разработка экспериментального аналого-цифрового стенда для исследования характеристик и системы встроенного контроля резервированного электрогидравлического привода 30
2.1 Общие особенности экспериментальной установки 30
2.2 Схема и конструкция экспериментальной установки 31
2.3 Базовые параметры и характеристики цифрового макета рулевого привода 37
2.3.1 Управляющая характеристика 39
2.3.2 Скоростная (регулировочная) характеристика исполнительного силового механизма привода РПД-2 39
2.3.3 Скоростная (регулировочная) характеристика сервопривода 43
2.3.4 Частота квантования вычислителя, встроенного в рулевой привод, и частотные характеристики тракта управления АЦП — Вычислитель -ЦАП 43
2.3.5 Частотные характеристики привода 50
2.3.6 Переходные процессы привода и определение границы чувствительности 55
2.3.7 Динамические характеристики сервопривода 61
Выводы по главе 2 74
Глава 3. Построение объединённой системы выравнивания сил в исполнительном механизме двухканального сервопривода и ядра системы его встроенного контроля 76
3.1. Постановка задачи 76
3.2. Общий принцип выравнивание сил в многоканальном электрогидравлическом приводе 77
3.3. Построение комплексной системы выравнивания сил в гидроцилиндрах двухканального электрогидравлического сервопривода и его контроля 80
3.4. Вариант системы разгрузки и контроля исполнительных механизмов двухканального сервопривода на основе электрогидравлических устройств 84
3.5. Описание модели сервопривода системы встроенного контроля 91
3.6. Математическое описание и алгоритм реализации цифровой системы контроля исправности сервопривода 97
3.7. Результаты экспериментального исследования резервированного привода с цифровой системой встроенного контроля в режимах появления типовых отказов 99
Выводы по главе 3 124
Глава 4. Цифровой регулятор электрогидравлического сервопривода для повышения стабильности его характеристик 126
4.1 Постановка задачи улучшения характеристик электрогидравлического сервопривода 126
4.2 Обоснование структуры сервопривода, малочувствительного к изменению внутренних параметров, нелинейностей характеристик элементов и условий эксплуатации 128
4.3. Моделирование и теоретическая оценка эффективности цифрового регулятора 138
Выводы по главе 4 144
Глава 5. Оценка эффективности разработанного цифрового регулятора и системы встроенного контроля электрогидравлического привода в режимах работы с изменяемым давлением питания 146
5.1. Постановка задачи исследования 146
5.2. Особенности макетного образца цифрового привода с агрегатом РПД-2 147
5.3. Исследование влияния давления подачи на характеристики привода 149
5.3.1. Влияние давления подачи на статические характеристики привода 149
5.3.2. Влияние давления гидропитания на динамические характеристики привода 152
5.3.3 Влияние давления гидропитания на работу системы встроенного контроля 170
5.4. Показатели стабильности характеристик и системы встроенного контроля при использовании цифрового регулятора, придающего приводу свойства инвариантной до следящей системы 187
5.4.1. Стабильность динамических характеристик привода с цифровым регулятором 187
5.4.2. Влияние корректирующих устройств на систему контроля внутреннего контура привода 217
Выводы по главе 5 218
Общие выводы 220
Список литературы
- Схема и конструкция экспериментальной установки
- Частотные характеристики привода
- Вариант системы разгрузки и контроля исполнительных механизмов двухканального сервопривода на основе электрогидравлических устройств
- Моделирование и теоретическая оценка эффективности цифрового регулятора
Введение к работе
Интенсивное внедрение цифровой техники в системы дистанционного управления полётом маневренных самолётов в настоящее время находится в противоречии со структурами и схемотехникой современных электрогидравлических рулевых приводов этих систем, которые выполняются, как аналоговые следящие электрогидравлическйе системы с аналоговыми электронными блоками управления и контроля. Указанные приводы содержат аналоговые усилители, многочисленные преобразователи сигналов, элементы пороговой логики и другие элементы, которые требуют согласования с цифровыми трактами управления к центральному вычислителю системы управления полётом, а также контроля состояния привода и взаимодействующих с ним систем.
Магистральным путём развития схемотехники систем управления полётом маневренных самолетов является децентрализация вычислительных устройств и организации связи электрогидравлических приводов по общей шине данных. При реализации такой концепции в составе рулевого привода появляются микровычислители, решающие не только задачи обеспечения требуемого качества управления движением органа управления полётом, но и выполняющие функции логического устройства системы встроенного контроля состояния привода. Внедрение в состав привода цифрового микровычислителя позволяет:
• Применять более сложные и более эффективные алгоритмы управления элементами привода.
• Осуществлять в резервированном приводе более глубокий контроль его состояния.
• Повысить быстродействие системы встроенного контроля при выявлении отказавшего устройства привода и уменьшить величину неуправляемого движения руля при появлении отказа в одном из каналов привода и его блокировке системой встроенного контроля, что повышает качество полёта самолёта при возникновении отказа в его системах. Особенно это обстоятельство важно для пилотирования маневренных самолетов с неустойчивой аэродинамической компоновкой.
• Существенно сократить количество соединительных трактов между рулевым приводом и системой дистанционного управления полётом (в настоящее время в аналоговых блоках управления между приводом и электронным блоком системы управления полётом соединительный тракт содержит более 60 — 70 проводов).
Высокие требования к безотказности функционирования систем, обеспечивающих управление полетом самолетов, привели к широкому использованию методов резервирования бортовых систем и агрегатов. В первую очередь это относится к энергетическим системам и электронным системам, обеспечивающим эффективное управление полетом. Ужесточение технических требований к характеристикам авиационных приводов, а также требований к их безотказности и безопасности управления являются важными аспектами развития силовых систем управления такими сложными комплексами, какими являются силовые системы управления маневренных самолётов. Основные органы управления полётом современного маневренного самолёта показаны на рис. В-1, а на рис.В-2 показано размещение рулевых приводов поверхностей управления, В настоящее время в качестве силовых приводов рабочих органов систем управления полётом самолётов получили широкое применение многокаскадные следящие электрогидравлические приводы, с дроссельным регулированием скорости выходного звена. Это обусловлено рядом принципиальных достоинств гидравлических приводов. Например, несмотря на успехи электротехнической промышленности в области создания электродвигателей с магнитами из редкоземельных материалов, гидравлические приводы превосходят электрические по таким показателям, как мощность на единицу массы (у гидравлических исполнительных механизмов - 0.5 - 1 кВт/кг, а у электромеханических исполнительных механизмов - 0.02 - 0.1 кВт/кг). Монтажный объём у электромеханических исполнительных механизмов при равной мощности с гидравлическим аналогом примерно в 10 раз больше [1]. Приведенный момент инерции к двигателю при одинаковой массе объекта у гидропривода в 20...50 раз меньше, чем у электропривода. Соответственно и статические характеристики исполнительного гидравлического механизма более жесткие, чем исполнительного электромеханического механизма, а быстродействие выше.
Интеграция бурно развивающейся цифровой микроэлектронной техники, позволяющей формировать сложные законы управления движением рабочих органов машин, с мощными исполнительными гидравлическими механизмами стимулирует широкое развитие электрогидравлических следящих приводов со встроенными в них микроэлектронными контроллерами. В силу указанных обстоятельств, а также из-за невозможности пилотировать вручную маневренный самолет с аэродинамической неустойчивой компоновкой, в настоящее время для управления рулевыми поверхностями современных маневренных самолетов и в Российской Федерации и за рубежом используются исключительно электрогидравлические следящие приводы, входящие в состав электродистанционных систем управления. Анализ перспектив развития таких систем показывает, что в ближайшие 10- 15 лет в качестве рулевых приводов самолетов будут применяться в основном электрогидравлические следящие приводы. Однако структура и элементы систем приводов претерпят существенные изменения в направлении внедрения высокоэффективных встроенных в привод микроэлектронных цифровых систем управления и контроля и т.п.
Актуальность темы диссертации.
Среди специфических требований, предъявляемых к приводам органов управления самолетов, которые изложены в Общих требованиях лётной годности самолетов, и которые существенно влияют на проектные решения, прежде всего, следует выделить следующие:
? Высокая степень безотказности приводов, которая характеризуется способностью сохранять управление полетом самолета при появлении двух и более локальных отказов в элементах привода и во взаимодействующих с ним системах.
? Каждое отказное состояние, приводящее к возникновению катастрофической ситуации, должно оцениваться, как практически невероятное, и это состояние не должно возникать вследствие единичного отказа одного из элементов системы.
Другим важным требование, предъявляемым к рулевым приводам самолётов со статически неустойчивой компоновкой, является обеспечение требуемых частотных характеристик следящего привода в области малых и сверхмалых перемещений выходного звена привода при изменении условий эксплуатации. Например, для рулевых приводов маневренных самолетов часто требуется обеспечить фазочастотные искажения на частоте изменения управляющего сигнала 1 Гц не более 15 - 20° при амплитудах перемещения золотника гидрораспределителя до 0.007 мм и при амплитудах перемещения выходного звена до 0.1% от максимального хода. Указанное требование при изменении давления подачи в рамках традиционной структуры привода без дополнительных регуляторов привода выполнить практически невозможно. Обеспечить указанные выше динамические характеристики рулевого привода особенно трудно в системах перспективных маневренных самолетов, в которых давление питания во время полета самолёта — переменное. При этом уровень давления питания, изменяется в два и более раз при изменении режима полёта.
Именно на обеспечение указанных требований к рулевым приводам современных самолётов и были направлены усилия автора диссертации при выполнении диссертационной работы.
Основные результаты исследований и полученные автором рекомендации по проектированию резервированных рулевых приводов с встроенными в них микроэвм обеспечивают управление элементами рулевых приводов в области очень малых перемещений. В тех диапазонах, где велико влияние конструктивно - технологических и эксплуатационных факторов. С целью иллюстрации эффективности предлагаемых решений автору пришлось создать специальный экспериментальный стенд, состоящий из типовых авиационных электрогидравлических усилителей клапанов, преобразователей сигналов других регулирующих элементов. В диссертации производится обобщение наиболее эффективных разработанных схемотехнических решений по построению резервированных электрогидравлических рулевых приводов со встроенной в них цифровой системой контроля состояния, использующей в качестве логического устройства микроэвм. С помощью этой же микроэвм были и реализованы предлагаемые регуляторы, обеспечивающие требуемую динамику привода.
Рассматриваемые в диссертации сервоприводы предназначены для управления полётом маневренных самолётов. Однако, предлагаемые в диссертации решения и результаты исследований могут использоваться, по мнению автора, и при проектировании современных пассажирских самолётов, которые обладают малой степенью статической устойчивости или нейтральны. Разработанные схемотехнические решения, алгоритмы управления и контроля состояния элементами привода, переданы для практического использования в ОАО «ПМЗ Восход», ОАО «Авионика» и ОАО «ОКБ Сухого».
Разработанные автором и представленные в диссертации новые научно-технические решения в области повышения безотказности и улучшения характеристик систем электрогидравлических приводов явились результатом решения следующего комплекса научно-технических задач:
1. Формирование рациональных схем рулевых приводов, обеспечивающих требуемые законы движения выходного звена.
2. Формирование схемотехнических решений при построении встроенных в привод цифровых подсистем управления, обеспечивающих:
• синхронизацию рабочих процессов в основном и резервных каналах многоканального привода с целью снижения силового взаимодействия параллельно работающих исполнительных механизмов, работающих в режиме суммирования усилий на общем выходном звене;
• встроенный контроль состояния управляющих элементов и основных устройств электрогидравлических приводов, а также блокировку отказавшего канала и переключение при появлении неисправности с отказавшего канала привода на исправный канал;
• повышение стабильности и улучшение динамических характеристик привода при изменении уровня давления подачи рабочей жидкости и понижения её температуры;
• реализация требуемых законов управления в области малых и сверхмалых управляющих сигналов, для гидравлических приводов высокочувствительных систем управления;
Указанные выше задачи решались на основе внедрение цифровых методов для управления элементами электрогидравлического привода и мониторинга его состояния путем использования встроенного в привод микроконтроллера.
Целями представленной работы являются:
• Повышение безотказности электрогидравлических следящих приводов, которые должны обеспечивать управление объектом в условиях появления отказов в элементах привода и во взаимодействующих с ним подсистемах, а также уменьшения неуправляемых движений выходного звена привода при появлении локальных отказов и переходе на резервное управление.
• Повышение динамической чувствительности привода, т.е. улучшение динамических характеристик привода в области малых сигналов и расширения диапазона регулирования при изменении уровня управляющих сигналов, появлении нелинейностей в элементах, изменении условий эксплуатации.
• Повышение стабильности характеристик рулевых приводов при работе привода в гидравлической системе с переменным давлением питания.
Научная новизна представленной работы.
Научная новизна представленной работы, по мнению автора, заключается в совокупности новых разработанных и обоснованных научно- технических решений, таких как:
Система встроенного контроля состояния привода, использующая разработанные цифровые модели контролируемых объектов, обладающие свойством адоптации. Указанные модели реализуются в реальном масштабе времени и позволяют оценивать координаты привода. Разработанная цифровая система комплексируется с подсистемами выравнивания сил в параллельно работающих каналах привода. Цифровая система контроля позволяет осуществлять непрерывный контроль состояния привода, определять неисправную энергетическую и (или) управляющую систему, а также обеспечивать переключение на исправный канал с существенно уменьшенным неуправляемым движением выходного звена привода.
Схемные решения по построению цифровых регуляторов сервоприводов, обеспечивающих малую чувствительность характеристик сервопривода к изменению условий эксплуатации и отклонениям характеристик входящих в сервопривод элементов. Практическая значимость.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные схемные и алгоритмические решения построения цифровых систем управления сервоприводом и приводом в целом, а также систем встроенного контроля состояния привода существенно повышают безопасность полётов и улучшают условия работы экипажа при выполнении полётных заданий и возникновении экстремальных ситуаций.
Предлагаемые алгоритмы управления и мониторинга приводов, цифровые математические модели контролируемых элементов привода, использующиеся в системе контроля могут эффективно использоваться при проектировании электрогидравлических приводов в иных отраслях машиностроения, разрабатывающих силовые системы управления повышенной надёжности. Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на научных семинарах и конференциях, в частности, на Всероссийском семинаре «Проблемы развития гидропневмоавтоматики в 21 веке»- Москва 2001г., на 6-ой Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов» — Москва 2002г., на 10-ом международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматизации и обработки информации» - Алушта 2001г. и на 11-ом международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматизации и обработки информации» - Алушта 2002г.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из Введения, пяти глав и приложения. В первой главе, которая носит обзорный характер, рассматривается состояние работ по повышению надежности электрогидравлических систем рулевых самолётов.
Во второй главе приводится описание разработанной автором экспериментальной установки для исследования процессов управления типовым электрогидравлическим приводом маневренного самолёта, отработки цифровых регуляторов и элементов систем встроенного контроля, а также для исследования работы привода с цифровым электронным блоком управления и контроля в режимах с переменным давлением подачи. В третьей главе приводятся результаты разработки автором комплексной цифровой системы выравнивания сил в исполнительных механизмах многоканального рулевого привода, включающей в себя и систему встроенного контроля сервопривода. Приводятся результаты сравнительного исследования цифровой и традиционной аналоговой систем. В четвёртой главе рассматривается методология построения цифрового регулятора сервопривода, придающего сервоприводу свойства системы с малой чувствительностью к изменению эксплуатационных и конструктивно-технологических факторов.
В пятой главе приводятся результаты исследования системы рулевого привода с разработанными цифровым регулятором и системой встроенного контроля при работе привода в режиме с переменным давлением подачи рабочей жидкости. Показывается эффективность разработанных схемных и алгоритмических решений в процессе обеспечения требуемых динамических характеристик привода.
Рассматриваются результаты экспериментального исследования сервопривода с цифровой системой встроенного контроля сервопривода при работе его в режимах возникновения возможных отказов, оцениваются последствия активных и пассивных отказов.
В заключении диссертации приведены основные выводы по работе и список литературы.
В приложении приводится текст разработанной программы для встроенного в привод микроконтроллера, реализующего алгоритмы мониторинга привода и цифрового регулятора, а также акты о внедрении результатов диссертационной работы.
Объем диссертации: 232 страниц (124 страницы текста и 108 страниц рисунков)
Схема и конструкция экспериментальной установки
Электрогидравлическая часть экспериментального стенда состоит из типового электрогидравлического рулевого агрегата привода типа РПД-2 разработки ОАО ПМЗ «Восход» и источника гидравлической энергии, который позволяет изменять уровень давления подачи до 210 атм. В состав двухканального электрогидравлического рулевого привода входит сдвоенный тандемный гидроцилиндр, а также двухканальный гидрораспределитель, который управляется сервоприводом с двумя электрогидравлическими усилителями типа «сопло-заслонка». Дополнительно в состав сервопривода входит электрогидравлическая подсистема выравнивания сил в гидроцилиндрах сервопривода. Указанная подсистема состоит из гидравлического нелинейного измерителя перепада давления в гидроцилиндрах сервопривода и миниатюрного гидравлического интегратора - гидроцилиндра. Общая схема электрогидравлической части экспериментального стенда с агрегатом РПД-2 и электронной части стенда представлена на рис.2.1,2.2,2.3.
Следует отметить, что представленная экспериментальная установка позволяет управлять рабочими процессами в рулевом приводе при работе его в двух режимах: При аналоговом управлении от аналогового электронного блока. Этот режим соответствует штатному режиму управления, принятому в настоящее время на маневренных отечественных самолетах. При цифровом управлении с помощью микроэвм, функции которой выполняет персональный компьютер.
Дополнительно в состав экспериментального стенда встроен второй компьютер, на который поступают сигналы от датчиков координат состояния привода, характеризующих его рабочие процессы. Этот компьютер выполняет операции обработки результатов эксперимента и генератора входных сигналов. В стенде имеется также высокочувствительный частотный анализатор, подключённый ко второму компьютеру, с помощью которого оценивались частотные характеристики привода и сервопривода. Конкретно экспериментальная установка содержит следующие основные компоненты: Макет бортового вычислителя — персональный компьютер с процессором «Intel Celeron - 400 МГц».
Блок аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей фирмы L-CARD (L-264, L-1208). Блок указанных преобразователей имеет следующие характеристики: ? Количество разрядов - 12. ? Частота квантования 100 - 5000 Гц (задается программно). ? Максимальное напряжение на входе в блок АЦП - ± 5.12 В. ? Максимальное напряжение на выходе из блока ЦАП - ± 5.12 В.
Блок усилителей и настроек, входящий в состав пульта ПП4014 разработки ОАО «ПМЗ Восход». Этот блок содержит усилительно-преобразующую аппаратуру для аналогового управления следящим приводом и переключатели для перевода привода в цифровой режим управления. Указанный пульт позволяет кроме указанных функций реализовать снятие статических характеристик, осуществлять управление от внутренних и внешних источников управляющих сигналов, осуществлять проверку параметров привода в контрольных точках.
Блок электропитания ПТ-89 разработки ОАО «ПМЗ Восход» для подключения индукционных датчиков положения штоков рулевой машины и силового привода для реализации контуров обратной связи. Напряжение переменного тока прямоугольной формы 36 В с частотой 2400 Гц.
Второй персональный компьютер экспериментальной установки для формирования сигналов управления (синусоидальной формы, треугольной и пилообразной форм) с процессором Р-75 с тактовой частотой 133 МГц Анализатор частотных характеристик «СИЭЛ-4200» разработки и изготовления АОЗТ «СИЭЛ», работающий в паре со вторым персональным компьютером экспериментальной установки.
Номинальные параметры настроек основных параметров контуров сервопривода и внешнего привода приведены в таблице 2.1.
На первом этапе исследований при отсутствии внешней нагрузки на выходном звене рулевого привода РПД-2 определялись статические характеристики привода и сервопривода, управляющего положением золотника основного гидрораспределителя привода:
Управляющая характеристика (характеристика позиционирования) -зависимость положения выходного штока привода от управляющего сигнала.
Скоростная (регулировочная) характеристика — зависимость установившейся скорости перемещения выходного штока привода от перемещения золотника основного гидрораспредилителя.
Динамические характеристики привода определялись в виде семейств логарифмических амплитудно-фазовых частотных характеристик (АФЧХ) при различных наборах частот и амплитуд управляющих сигналов.
Частотные характеристики привода
Рассмотренные выше нелинейные факторы и запаздывания в трактах управления неизбежно оказывают влияние на динамику сервопривода и рулевого привода в целом. Динамические свойства рулевого привода при переводе управления с аналогового на цифровое управление при номинальной структуре привода и значениях его параметров должны быть зафиксированы как номинальные. Следует отметить, что, так как резервированный привод и состоит из двух электрогидравлических каналов, отличающихся друг от друга разбросом параметров, то и динамические характеристики привода при работе одного и двух каналов также будут отличаться. Это отличие в динамике будет проявляться более или менее при изменении уровня управляющих сигналов.
На рис.2.11 представлены частотные характеристики цифрового варианта привода при совместной работе двух каналов сервопривода, управляющего положением золотников основного гидрораспределителя (рулевой машины - РМ) при различных величинах амплитуды управляющего сигнала 0.2 - 4 % от максимального значения, что соответствует амплитуде перемещения штока привода от 0.1 до 1 мм. Указанные характеристики соответствуют варианту привода, во входной цепи которого был установлен фильтр в виде апериодического звена первого порядка. Постоянная времени фильтра 1.5 мс. Анализ представленных частотных характеристик показывает, что в полосе частот до 2.5 - 3 Гц характеристики слабо зависят от амплитуды управляющего сигнала. При этом фазочастотные искажения, вносимые приводом на частоте 1 Гц, находятся в пределах -25 - -30 градусов. Оценка эквивалентной добротности привода, соответствующая приведенным характеристикам соответствует величине 16-20 1/с. Эта величина добротности, полученная по представленным частотным характеристикам хорошо согласуется с изменением коэффициента усиления по скорости, которое оценивалось ранее по кривым, приведенным на рис.2.6.
В полосе частот больших, чем 3 Гц при амплитудах управляющего сигнала меньших авх 0.4% от максимального сигнала частотные характеристики привода расслаиваются. Это расслоение связано с влиянием нелинейностей сервопривода на динамику замкнутого контура. Этот эффект будет рассмотрен ниже.
В процессе экспериментальных исследований был установлен нижний предел изменения амплитуды управляющего сигнала, при котором надежно реализуется управление привода при гармоническом управляющем сигнале. Эта оценка соответствует величине (Uexjmm = 15 мВ, что соответствует амплитуде входного сигнала 0.1 - 0.15 % от максимальной величины (максимальное перемещение штока привода при этом составляет 0.03 - 0.05 мм). По оценке специалистов ОАО «ОКБ Сухой» указанная оценка этого показателя для привода флаперонов и руля направления современного маневренного самолёта является приемлемой. Таким образом, можно сделать вывод о возможности обеспечения исследуемым приводом требований, которые предъявляются к приводам современных маневренных самолетов.
На рис.2.12 - 2.13 показаны частотные характеристики привода, полученные при работе только одного (2-го) канала сервопривода при частотах квантования в вычислителе 1000 и 1200 Гц. Анализ этих характеристик показывает, что представленные характеристики полностью аналогичны характеристикам, которые показаны на рис.2.11 за исключением характеристик, полученных при малой амплитуде входного сигнала - а = 0.2% от максимального значения управляющего сигнала. Амплитудно-частотная характеристика привода при таком малом сигнале имеет подъём до 2.7 - 3.1 дБ. Следует отметить, что такой подъём амплитудной характеристики по оценке специалистов ОАО «ОКБ Сухой» можно считать приемлемым.
Оценка запасов устойчивости внешнего контура рулевого привода выполнялась расчетным путём при частотах квантования в вычислителе 1000 и 1200 Гц и при различных амплитудах входного сигнала (авх) с использованием полученных частотных характеристик. Запасы устойчивости оценивались при работе одного (2-го) канала сервопривода и при работе двух каналов сервопривода. Было установлено, что критическая частота (fP), определяющая запасы устойчивости контура привода в диапазоне изменения амплитуды управляющего сигнала 0.2 - 4% находится в диапазоне 10 - 15 Гц. При этом запасы устойчивости по амплитуде составляют 8-16 дБ, а запас устойчивости по фазе составляет 50 — 60 градусов. Указанные оценки запасов устойчивости иллюстрируются кривыми, представленными на рис.2.14 и 2.15. Такие оценки запасов устойчивости контура привода являются вполне приемлемыми. 2.3.6 Переходные процессы привода и определение границы чувствительности
На рисунках 2.16 - 2.18 представлены графики реакций привода на сигналы управления в виде: ступенчатого сигнала с амплитудой, соответствующей перемещению выходного звена привода на 5 мм; синусоидального сигнала с частотой 0.2 Гц и с амплитудой 5 мм; пилообразного сигнала с частотой 0.2 Гц и с амплитудой 5 мм. Приведенные на этих рисунках графики с индексом «А» соответствуют вычислителю с частотой квантования 1000 Гц, а кривые, помеченные индексом «Б» - с частотой квантования 1200 Гц.
Вариант системы разгрузки и контроля исполнительных механизмов двухканального сервопривода на основе электрогидравлических устройств
Рабочие процессы в многоканальном приводе с суммированием развиваемых гидроцилиндрами сил на общем выходном звене, будь то рулевая поверхность самолёта, механическая траверса или общий шток, неизбежно сопровождается появлением дополнительных нагрузок каждом исполнительном механизме, даже при отсутствии внешней силы, действующей на общее выходное звено. Это дополнительное силовое воздействие на конструкцию привода, вызванное разбросом параметров датчиков, преобразователей сигналов, отклонением сигналов управления во входных цепях привода, разбросом регулировок и другими конструктивно-технологическими и эксплуатационными факторами, приводит к двум важным последствиям:
Искажение процессов управления и связанное с этим ухудшение статических и динамических характеристик привода.
Накопление усталостных повреждений в конструкции привода в эксплуатационных режимах, связанных с гармоническим движением выходного звена привода или с периодическими перекладками поршней. Практика показывает, что накопление усталостных повреждений конструкции многоканального привода, вызванных силовым взаимодействием каналов за срок службы привода во много раз превосходят повреждения, вносимые внешними силами нагрузки.
В многоканальных приводах с механическим управлением указанная проблема решается совершенствованием технологии изготовления рабочих окон гидрораспределителей и регулировками гидрораспределителей. Разброс регулировок гидрораспределителей, а, следовательно, и взаимонагружения исполнительных механизмов, в многоканальных приводах с механическим управлением удается минимизировать и свести к уровню 0.5 - 1% от максимального значения. Иное дело в многоканальных приводах с электрическим управлением. Здесь суммарный разброс сигналов в цепях управления основного и резервных каналов привода составляет до 15% от максимального значения. Поэтому в структуре многоканального электрогидравлического привода с суммированием сил на общем выходном звене должны быть введены подсистемы разгрузки конструтсции от внутренних сил, т.е. от силового взаимодействия, вызванного несинхронностью процессов отработки управляющих сигналов.
На рис.3.1 показана структурная схема 3-х канального электрогидравлического привода с суммированием сил на общем звене -рулевой поверхности (РП). Такой привод работает в режиме суммирования сил и его конструкция при разбросе даже только сигналов управления (Uexi, Uex2, Цехз) подвержена силовому взаимодействию каналов привода. Привод состоит из следующих основных элементов: гидроцилиндра (ГЦ), электрогидравлического усилителя мощности (ЭГУ), датчика позиционной обратной связи (ДОС), датчика перепада давления на поршне гидрощшипдра (ДПД). В основе системы выравнивания сил в исполнительных механизмах привода лежит принцип дополнительного управления перепадами давления в гидроцилиндрах привода путём введения интегральных обратных связей по разности оценок среднего и канального перепадов давления. Для построения такой системы вводятся так называемые кворум-элементы (КЭ) - электронные устройства, выделяющие среднее арифметическое из нескольких входных сигналов (иногда среднее выборочное). Дополнительно в цепь обратной связи по разности перепадов давления вводится корректирующий фильтр с передаточной функцией вида:
Для наглядности будем предполагать, что все указанные выше элементы привода идеальны, а несинхронность процессов определяется разбросом ВХОДНЫХ СИГНаЛОВ UBxl(t) UBx2(t)UBx3(t). Составим уравнения рассогласования для каждого канала привода: u -koc s -KP (P,cP-P,2) Ue2; (3.2) / ,- х -к l(pucn-pui)dt=Ue вхЗ ос вых иР rn.qj rust ел В статических режимах работы привода и в режимах близким к ним значения сигналов рассогласования стремятся к нулю. Поэтому можно считать, что интегральные функции определяют ошибки в положении между заданными положениями общего выходного звена и положениями выходного звена, заданными каждым сигналом управления. В процессе работы привода указанные интегральные функции стремятся к нулю, а положение общего выходного звена и перепады давления в пшроцилиндрах стремятся к следующим значениям: " 6ЫХ о V / (среднее арифметическое заданных положений поршня по всем каналам управления при одинаковых коэффициентах обратной связи). . р ій±Рп2±РІЦ (3.4) следовательно, выходное звено привода движется по траектории изменения среднего арифметического от траекторий заданных сигналами управления в каждом канале при нагрузке в каждом канале:
Здесь FH - внешняя сила, действующая на общее выходное звено привода. Таким образом, производится выравнивание перепадов давления в гидроцилиндрах с помощью интегральных обратных связей по разности перепадов давления между средним уровнем и перепадом давления в каждом гидроцилиндре, одновременно вычисляется ошибка в положении выходного звена относительно среднего заданного положения. Это обстоятельство открывает возможность для использования системы выравнивания сил многоканального привода для контроля его исправности. Следует отметить, что вследствие разброса сигналов с датчиков координат состояния привода и на выходе кворум-элементов средние значения давления нагрузки будут отличаться друг от друга. Эти отличия необходимо оценить экспериментально.
Моделирование и теоретическая оценка эффективности цифрового регулятора
Другой способ заключается во введении обратной связи по разности выходных координат модели и объекта контроля - АХ. Схема системы встроенного контроля с такой системой подстройки модели представлена на рисунке 3.8.6. Необходимо отметить, что система подстройки модели построенная по этой схеме обладает большей гибкостью, чем система подстройки основанная на изменении предельных значений скорости.
Пределы, в которых система подстройки позволяет выравнивать характеристики модели и реального сервопривода, определяются ограничением в цепи подстройки. Ограничение настраивается таким образом, что при изменении параметров эксплуатации, в статических и близких к ним режимах выходная координата модели практически не отличалась от контролируемой координаты сервопривода. При возникновении отказа в сервоприводе выходная координата модели изменяется весьма интенсивно. Однако блок ограничения в системе подстройки модели не позволяет ей изменять значение выходной координаты вслед за изменением АД и в результате, модуль разности \х (t)-Xu(t)\ превышает порог срабатывания детектора отказов Х . Кроме того, в систему встроенного контроля перед детектором отказов включен фильтрующий элемент в виде апериодического звена. Он необходим для того, чтобы исключить ложное срабатывание системы встроенного контроля при появлении в цепях обратной связи сервопривода пиковых помех. Такая помеха имеет кратковременный характер, и фильтрующий элемент не позволяет ей поступать на детектор отказов и вызывать срабатывание элементов отключение канала сервопривода. Реальный отказ имеет постоянный характер и с некоторой небольшой задержкой вызывает срабатывание детектора отказа, и отключение отказавшего канала.
В основе системы контроля исправности сервопривода лежит использование адаптивной цифровой модели сервопривода, отображающей его наиболее существенные динамические свойства и обладающей свойством подстройки под реальный сервопривод при изменении условий эксплуатации или при технологических отклонениях параметров сервопривода от номинальных значений.
С целью исключения ложных срабатываний системы встроенного контроля или, наоборот, пропуска отказа при изменении условий эксплуатации (уровня давления подачи или температуры рабочей жидкости) цифровая система подстройки модели обладает свойством подстройки только в ограниченном диапазоне изменения координат модели и контролируемого объекта. В процессе работы привода осуществляется непрерывное сравнение выходной координаты модели С/моАвыхи суммарным сигналом обратной связи сервопривода Uoc.cn — UocpM +UocnK. Здесь приняты следующие обозначения: - UocpM - сигнал с датчика положения поршня рулевой машины сервопривода; - UocnK - сигнал с датчика обратной связи по положению поршня коррекции системы выравнивания сил в гидроцилиндрах сервопривода.
Установленные параметры настройки системы контроля обеспечивают возможность изменения максимальной скорости выходной координаты модели по отношению к максимальной скорости сервопривода от 0.1 — 1.9. За меру исправности сервопривода в системе контроля принимается сигнал рассогласования Щ и -и киб В. (3.17)
Установлено, что при такой настройке системы контроля сервопривода достигается эффективная компенсация сигнала рассогласования модели и объекта контроля в пределах до 20 - 30% при пороге срабатывания детектора отказов сервопривода в 34% от максимальной величины изменения сигнала на входе модели сервопривода. Дополнительно, для защиты от ложных срабатываний системы контроля сервопривода при случайных забросах контролируемых сигналов на входе в детектор отказов установлен фильтр низкой частоты в виде апериодического звена с постоянной времени 0.015 - 0.02 с.
При нарушении равенства 3.17 после некоторого запаздывания детектор отказов формирует сипіал для отключения неисправного канала. По этому сигналу снимается напряжение с электромагнитного клапана (ЭГК) отказавшего канала. Клапан отключат подвод гидравлической энергии к исполнительному механизму сервопривода, и переводит его в отказобезопасное состояние. 3.6. Математическое описание и алгоритм реализации цифровой системы контроля исправности сервопривода
Поскольку в цифровой вычислитель информация поступает дискретно, то для рациональной стыковки ее с программным обеспечением математическое описание системы встроенного контроля выполнено в дискретной форме. С этой целью перед каждым динамическим звеном аналогового варианта системы контроля условно включен импульсный элемент (ключ) с экстраполятором нулевого порядка, осуществляющим запоминание сигнала на период квантования. При этом период квантования сигнала совпадает с шагом интегрирования дифференциальных уравнений, которые в данном случае записываются в виде разностных уравнений. С учетом вышеизложенного дискретные цепи с импульсным элементом, экстраполятором нулевого порядка и одним из непрерывных динамических звеньев интегрирующего и апериодического типов соответственно, можно представить дискретными передаточными функциями, в Z-преобразованиях, которые будут иметь следующий вид :
